DE3712320A1

DE3712320A1 - Stranggepresster supraleiter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3712320A1
Application number: DE19873712320
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Mier
Original assignee: Aluminium Walzwerke Singen GmbH
Current assignee: Constellium Singen GmbH
Priority date: 1987-04-11
Filing date: 1987-04-11
Publication date: 1988-10-27
Also published as: EP0311650B1; JPH01503502A; US4982497A; EP0311650A1; DE3861580D1; WO1988008208A1; DE3712320C2

Description

Mit Supraleitfähigkeit wird der physikalische Effekt be zeichnet, daß der elektrische Widerstand bestimmter Metalle bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273°C) zu Null werden kann.

Supraleiter werden in der Meßtechnik, z. B. zur Messung schwacher Magnetfelder und Ströme sowie in der Computertech nik für superschnelle Speicher und Logikbausteine verwendet. Bedeutender sind die Anwendungsgebiete zur Erzeugung starker Magnetfelder z. B. für Großmagnete für Kernkraftwerke, Magnet schwebebahnen, Teilchenbeschleuniger, ferner für supralei tende Spulen, supraleitende Kabel für verlustlose Energie übertragung, supraleitende Generatoren für die Energieer zeugung oder supraleitende Transformatoren und Energie speicher.

Als Supraleiter dienen dünnen Flächen (30 bis 50 µm ⌀) aus Niob-Titan oder Niob-Zinn, die üblicherweise in einem Kup ferdraht eingebettet sind. Dieser Draht wird je nach Ver wendungszweck einzeln oder zu einem Bündel verseilt mit hochreinem Aluminium ummantelt. Diesen Aluminiummantel be zeichnet man als Stabilisator.

Störungen im Magnetfeld können die Supraleitfähigkeit kurzzeitig unterbrechen. Dann muß der Stabilisator aus hochreinem Aluminium (Reinheit 9,99 bis 99,999%) den Strom kurzzeitig übernehmen. Aluminium eignet sich hierfür besser als Kupfer, weil es bei 4,2 K nur etwa 10% des elektr. Widerstandes von Kupfer aufweist.

Im Laufe der Jahre kamen immer stärkere Magnetfelder, z. B. für die Teilchenbeschleunigung in der Kernforschung, zum Einsatz. Die Oberwellen, d. h. die zeitlichen Ver änderungen, dieser Magnetfelder rufen Wirbelströme in dem Stabilisator aus hochreinem Aluminium hervor, die in unerwünschter Weise Wärme erzeugen und die Supraleit fähigkeit der Niob-Titan- bzw. Niob-Zinnfäden unterbre chen. Während man bisher bei kleineren Magnetfeldern die Wärmeerzeugung der Wirbelströme durch verstärkte Helium kühlung kompensieren konnte, ist dies bei sehr starken Magnetfeldern nicht mehr möglich.

Es besteht daher die Aufgabe, einen derartigen strang gepreßten Supraleiter zu schaffen, bei dem auch im Be reich sehr starker Magnetfelder die im Aluminium-Stabili sator auftretenden Wirbelströme so klein gehalten werden, daß die von den Wirbelströmen erzeugte Wärme von der Heliumkühlung schnell genug abgeführt werden kann, so daß die Supraleitfähigkeit nicht beeinträchtigt wird.

Die Erfindung geht bei der Lösung dieser Aufgabe von der Erkenntnis aus, daß es erforderlich ist, die in der als Stabilisator eingesetzten Aluminium-Ummantelung auftre tenden Wirbelströme zu reduzieren. Zur Lösung dieser Auf gabe wird eine starke Verringerung der elektrischen Leit fähigkeit in Richtung quer zur Leiterlängsachse vorge schlagen, und zwar mittels in eine Aluminium-Ummantelung eingebetteter koaxial verlaufender, aus einem schlecht leitenden Werkstoff bestehender Strukturen in Form von querschnittsverteilten Schichten, bandförmigen Streifen oder in engen Abständen längsverlaufenden Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündeln.

Zu diesem Zweck wird nach der weiteren Erfindung vorge schlagen, daß die in die Aluminium-Ummantelung einge betteten koaxial verlaufenden Schichten aus dem schlecht leitenden Werkstoff als geschlossene, die Leiterseele in einem Abstand umgebende und einen Abstand voneinander auf weisende konzentrische Ringmantelschichten ausgebildet sind, wobei ein weiterer Vorschlag vorsieht, daß die bandförmigen Streifen aus dem schlechtleitenden Werk stoff in einer zur Leiterseele sternförmigen Konfiguration angeordnet sind.

Eine abgewandelte Ausbildung des Stabilisators nach der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß die längsverlau fenden, in enger Querschnittsverteilung in die Aluminium- Ummantelung eingebetteten Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündel aus Glasfasern, Oxidfasern oder einem anderen hochohmigen Material bestehen.

Dabei ist nach der Erfindung vor allem von Bedeutung, daß nach einem weiteren Merkmal die Streifen, Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündel aus dem schlechtleitenden Werkstoff in koaxial verlaufender Richtung einen geringen Querschnitt, jedoch in den quer zur Längserstreckung ver laufenden Richtungen eine wesentlich größere Flächen projektion aufweisen.

Der prinzipielle Vorteil des stranggepreßten Supralei ters gegenüber dem Stand der Technik ist die Anisotro pie der elektrischen Leitfähigkeit des Aluminium-Stabi lisators, d. h. die unterschiedliche Leitfähigkeit längs bzw. quer zur Preßrichtung. Dadurch wird die Aufgabe der Erfindung erfüllt, den elektrischen Strom in Längsrich tung ungehindert passieren zu lassen, während die Wir belströme quer zur Preßrichtung durch eine herabgesetzte Leitfähigkeit stark reduziert werden.

Die Ausbildung des Supraleiters entsprechend den vor stehend beschriebenen Merkmalen erfordert eine entsprechen de Ausgestaltung des Stranggießverfahrens, und zwar in der Weise, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strang preßverfahren erfolgt, bei dem ein im Rezipienten der Strangpresse aufgenommener Voll- oder Hohlbolzen aus Reinst-Aluminium durch eine Matrize ausgepreßt wird und der Aluminiumbolzen mit koaxial zu seiner Längsachse verlaufenden, aus einem schlechtleitenden Werkstoff be stehenden Strukturen in Form von querschnittsverteilten Schichten, bandförmigen Streifen oder in engen Abständen längsverlaufenden Einzelfäden oder -fasern oder Faser bündeln versehen ist.

Dabei kann nach einem weiteren Vorschlag ein Voll- oder Hohlbolzen von kreisrundem, ovalem oder poligonalem Quer schnitt, ausgehend von einem kreis-, oval- oder polygonal zylindrischen vollen oder hohlen Kernteil, durch abwech selnd aufeinanderfolgendes Aufsprühen von dicken Schich ten aus schlechtleitendem Werkstoff hergestellt sein. Das Aufsprühen kann vorzugsweise bei rotierendem Bolzen erfolgen.

In Abwandlung hiervon kann ein kreisrunder, ovaler oder polygonaler Voll- oder Hohlbolzen aus Reinst- Aluminium im Gießverfahren hergestellt werden, und in die Gießform oder die Schmelze können Glasfasern, Oxidfasern oder Stränge bzw. Fasern aus einem anderen hochohmigen Material eingebracht werden, die sich beim Auspressen des Bolzens unter Verringerung ihres Quer schnitts in die Länge ziehen.

Ferner wird in weiterer Ausbildung des Verfahrens vor geschlagen, daß zur Herstellung von Trennfugen im fer tiggepreßten Ummantelungsstrang aus dem Reinst-Aluminium die Matrize der Strangpresse mit feststehenden Stegen versehen ist, durch welche eine Teilung des Bolzenma terials in Einzelstränge herbeigeführt wird, die beim Austreten aus der Matrize wieder zu einem, die Fugen aufweisenden Gesamtstrang zusammengeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Lösung der gestellten Auf gabe besteht darin, daß - wie eingangs erwähnt - der bandförmige Streifen aus schlechtleitendem Werkstoff in die Aluminium-Ummantelung eingebettet werden. Hier zu wird ein Verfahren dahingehend vorgeschlagen, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strangpreßverfahren erfolgt, bei dem ein im Rezipienten der Strangpresse aufgenommener Voll- oder Hohlbolzen aus homogenem Reinst-Aluminium durch eine Matrize ausgepreßt wird, in welche durch entsprechend bemessene Kanäle bandför mige Streifen, Faserbündel oder dgl. langgestreckte Ge bilde aus einem schlechtleitenden Werkstoff in die sich bildende Ummantelung aus dem Reinst-Aluminium eingelei tet werden. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die durch die Matrize während des Auspressens in die Ummantelung eingeleiteten bandförmigen Streifen in sternförmig zur Leiterseele hin ausgerichteter Kon figuration eingebettet werden. Nach einem abgewan delten Verfahren kann die Ummantelung auch im Strang preß-Verbundverfahren hergestellt sein, bei dem zu nächst in einem ersten Preßvorgang die Leiterseele von einer ersten Mantelschicht umpreßt und auf die se Mantelschicht eine dünne Schicht aus einem schlecht leitenden Werkstoff aufgebracht und darauf durch Aus pressen durch eine Folgematrize eine zweite Mantel schicht aus Reinst-Aluminium darüber aufgepreßt wird. Selbstverständlich kann auch auf die zweite und jede weitere folgende Mantelschicht aus Reinst-Aluminium jeweils eine weitere dünne Schicht aus dem schlecht leitenden Werkstoff aufgebracht werden. Jedoch ist vor gesehen, daß auf die äußerste Mantelschicht aus Reinst- Aluminium keine weitere dünne Schicht aus dem schlecht leitenden Werkstoff aufgebracht wird.

Die verschiedenen Verfahrensweisen nach der Erfindung gestatten es, je nach den geforderten physikalisch- technischen Eigenschaften und den Einsatzbedingungen Supraleiter herzustellen, bei denen die Wirbelströme in hohem Maße unterdrückt und damit auch die unerwünsch ten Erwärmung auf ein Mindestmaß beschränkt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften des Supra leiters nach der Erfindung sind anhand der Ausführungs beispiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Strangpreßbolzen mit kreisringförmigen Schichten aus schlechtleitendem Werkstoff,

Fig. 2 einen Strangpreßbolzen mit faserförmigen Struk turen aus schlechtleitendem Werkstoff,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Faser aus einem schlechtleitenden Werkstoff,

Fig. 4 eine Strangpreßmatrize für einen Rund-Rezipien ten mit Stegen,

Fig. 5 eine Strangpreßmatrize für einen Rechteck-Rezi pienten mit Stegen,

Fig. 6 einen stranggepreßten Supraleiter von recht eckigem Querschnitt in einer anderen Ausführungs form.

Der in Fig. 1 dargestellte Strangpreß-Vollbolzen 1 von kreis rundem Querschnitt besteht aus Reinst-Aluminium (Al 99,999). Dieser Werkstoff ist jedoch durch dünne ringmantelförmige Schichten 3 aus einem schlechtleitenden Werkstoff in zylin derwalzenförmige Einzelkörper getrennt. Dieser Strangpreß- Vollbolzen wird durch abwechselnd aufeinanderfolgendes Auf sprühen von dicken Schichten 2 aus Reinst-Aluminium und dün nen Schichten 3 aus dem schlechtleitenden Werkstoff herge stellt.

Der Strangpreß-Vollbolzen 4 nach Fig. 2 ist im Gießverfah ren hergestellt und besteht ebenfalls aus Reinst-Aluminium (Al 99,999). Die schlechtleitenden Strukturen sind in Form von Glas- oder Oxidfasern 6 in die Gießform und/oder in die Schmelze eingebracht worden.

In Fig. 3 ist stark vergrößert ein Querschnitt durch eine Faser 6 in Preßrichtung dargestellt, wie sie in den gegos senen Strangpreß-Vollbolzen 4 gemäß Fig. 2 eingelagert sind. In Längsrichtung weisen diese Fasern 6 aus einem schlechtleitenden Werkstoff vorzugsweise einen runden oder ovalen Querschnitt auf.

Die Fig. 4 zeigt eine Stirnansicht einer Strangpreß-Rund matrize 7, die mit Stegen 8 ausgeführt ist. Diese Stege sind im Ausführungsbeispiel zentrisch nach innen zum Mittelpunkt hin gerichtet und dienen dazu, das Bolzenmaterial beim Strangpressen in acht Einzelstränge aufzuteilen. Nach dem Austreten aus der Matrize verschweißen diese Einzelstränge wieder zu einem geschlossenen Gesamtstrang, der jedoch zwi schen den acht Einzelsträngen Schweißnähte aufweist.

In Fig. 5 ist weiterhin die Stirnansicht einer Strangpreß- Rechteckmatrize 9 dargestellt, die ebenfalls Stege 8 auf weist, durch welche das Bolzenmaterial beim Strangpressen in acht Einzelstränge aufgeteilt wird. Nach dem Verschwei ßen dienen die Schweißnähte der Verschlechterung der Leit fähigkeit. Selbstverständlich ist es möglich, einen Strangpreß-Bolzen 5 nach Fig. 2 mit eingelagerten Fasern 6 in einer Matrize 7 nach Fig. 4 zu verpressen, so daß sich die Maßnahmen zur Verringerung der Leitfähigkeit ergänzen und verstärken.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen stabili sierten Supraleiter 11 mit einem Kern 13, der aus einer Niob-Titan- oder Niob-Zinn-Legierung bestehen kann. Der Stabilisator ist als rechteckiger Mantel 12 aus Reinst- Aluminium ausgebildet, in welchen die Bänder 14 aus ei nem schlechtleitenden Werkstoff eingelagert sind, um die Wirbelströme in dem Aluminium-Stabilisator zu vermin dern.

Eine Abwandlung 18 des Supraleiters gemäß Fig. 6 ist in Fig. 7 in Stirnansicht dargestellt. Die aus einer Niob- Titan- oder Niob-Zinn-Legierung bestehende Leiterseele 13 ist von dem Stabilisatormantel 15 aus Reinst-Aluminium umgeben. Dieses Verbund-Rechteckprofil kann in einem er sten Strangpreßvorgang hergestellt sein. Auf diesen Man tel 15 aus Reinst-Aluminium wird nun die Isolierschicht 16 aus dem schlechtleitenden Werkstoff aufgespritzt oder auf gedampft. Darauf wird in einem weiteren Strangpreßvorgang der äußere Mantel 17 ebenfalls aus Reinst-Aluminium - oder auch aus einer ähnlichen Alu-Legierung - aufgepreßt. Auch hier können in die Ummantelungen 15 und 17 Bänder oder Fa sern aus einem schlechtleitenden Werkstoff eingelagert sein.

Bezugszeichenliste 1 Strangpreß-Vollbolzen
2 Reinst-Aluminium
3 schlechtleitender Werkstoff
4 Strangpreßvollbolzen
5 Reinst-Aluminium
6 Glas- oder Oxydfasern
7 Strangpreß-Rundmatrize
8 Stege
9 Strangpreß-Rechteckmatrize
10
11 Supraleiter
12 Stabilisatormantel
13 Leiterseele (Kern)
14 Bänder
15 Stabilisatormantel
16 Isolierschicht
17 Reinst-Aluminiummantel

Claims

1. Stranggepreßter Supraleiter, bestehend aus einer von dünnen Metallfäden, z. B. aus Niob-Titan oder Niob-Zinn gebildeten Leiterseele und einer als Stabilisator dienenden Ummantelung aus hochreinem Aluminium, gekennzeichnet durch starke Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit quer zur Leiterlängsachse mittels in die Aluminium-Ummantelung eingebetteter koaxial verlaufender, aus einem schlechtleitenden Werkstoff bestehender Strukturen in Form von querschnitts verteilten Schichten, bandförmigen Streifen oder in engen Ab ständen längsverlaufenden Einzelfäden oder -fasern oder Faser bündeln.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Aluminium-Ummantelung eingebetteten koaxial ver laufenden Schichten aus dem schlechtleitenden Werkstoff als ge schlossene, die Leiterseele in einem Abstand umgebende und ei nen Abstand voneinander aufweisende konzentrische Ringmantel schichten ausgebildet wird.

3. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Streifen aus dem schlechtleitenden Werk stoff in einer zur Leiterseele sternförmigen Konfiguration an geordnet sind.

4. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längsverlaufenden, in enger Querschnitts verteilung in die Aluminium-Ummantelung eingebet teten Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündel aus Glasfasern, Oxidfasern oder einem anderen hochohmigen Material bestehen.

5. Supraleiter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen, Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündel aus dem schlechtleitenden Werkstoff in koaxial verlaufender Richtung einen geringen Querschnitt, jedoch in den quer zur Längserstrec kung verlaufenden Richtungen eine wesentlich grö ßere Flächenprojektion aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung des stranggepreßten Supra leiters nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strangpreß verfahren erfolgt, bei dem ein im Rezipienten der Strangpresse aufgenommener Voll- oder Hohlbolzen aus Reinst-Aluminium durch eine Matrize ausgepreßt wird und der Aluminiumbolzen mit koaxial zu seiner Längsachse verlaufenden, aus einem schlechtleiten den Werkstoff bestehenden Strukturen in Form von querschnittsverteilten Schichten, bandförmigen Streifen oder in engen Abständen längsverlaufenden Einzelfäden oder -fasern oder Faserbündeln versehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Voll- oder Hohlbolzen von kreisrundem, ova lem oder polygonalem Querschnitt oval- oder poly gonalzylindrischen vollen oder hohlen Kernteil durch abwechselnd aufeinanderfolgendes Aufsprühen von dicken Schichten aus Reinst-Aluminium und dünnen Schichten aus schlechtleitendem Werkstoff hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsprühen bei rotierendem Bolzen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisrunder, ovaler polygonaler Voll- oder Hohlbolzen aus Reinst-Aluminium im Gießverfahren her gestellt wird und in die Gießform oder die Schmelze Glasfasern, Oxidfasern oder Stränge bzw. Fasern aus einem anderen hochohmigen Material eingebracht wer den, die sich beim Auspressen des Bolzens unter Ver ringerung ihres Querschnitts in die Länge ziehen.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Trennfugen im fertiggepreß ten Ummantelungsstrang aus dem Reinst-Aluminium die Matrize der Strangpresse mit feststehenden Stegen versehen ist, durch welche eine Teilung des Bolzen materials in Einzelstränge herbeigeführt wird, die nach dem Austreten aus der Matrize wieder zu einem die Fugen aufweisenden Gesamtstrang zusammengeführt werden.

11. Verfahren zur Herstellung des stranggepreßten Supra leiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strangpreß verfahren erfolgt, bei dem ein im Rezipienten der Strangpresse aufgenommener Voll- oder Hohlbolzen aus Reinst-Aluminium durch eine mit in der Nähe des Austritts mit feststehenden Stegen versehene Matrize ausgepreßt und dadurch eine Teilung des Bolzenmaterials in Einzelstränge herbeigeführt wird, die nach dem Passieren des Stegbereichs und vor dem Austreten aus der Matrize wieder zu einem Trennfugen aufweisenden Gesamtstrang zusammenge führt werden.

12. Verfahren zur Herstellung des stranggepreßten Supra leiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strangpreß verfahren erfolgt, bei dem ein im Rezipienten der Strangpresse aufgenommener Voll- oder Hohlbolzen aus homogenem Reinst-Aluminium durch eine Matrize ausge preßt wird, in welche durch entsprechend bemessene Kanäle bandförmige Streifen, Faserbündel oder dgl. langgestreckte Gebilde aus einem schlechtleitenden Werkstoff in die sich bildende Ummantelung aus dem Reinst-Aluminium eingeleitet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Matrize während des Auspressens in die Ummantelung eingeleiteten bandförmigen Streifen in sternförmig zur Leiterseele hin ausgerichteten Konfiguration eingebettet werden.

14. Verfahren zur Herstellung des stranggepreßten Supra leiters nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung der Leiterseele im Strangpreßver fahren erfolgt, bei dem zunächst in einem ersten Preßvorgang die Leiterseele von einer ersten Mantel schicht umpreßt und auf diese Mantelschicht eine dünne Schicht aus einem schlechtleitenden Werkstoff aufgebracht und darauf durch Auspressen durch eine Folgematrize eine weitere Mantelschicht aus Reinst- Aluminium darüber aufgepreßt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweite und jede weitere folgende Mantel schicht aus Reinst-Aluminium jeweils eine weitere dünne Schicht aus einem schlechtleitenden Werkstoff aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußerste Mantelschicht aus Reinst-Alu minium keine weitere dünne Schicht aus dem schlecht leitenden Werkstoff aufgebracht wird.